再贴一篇“如何选择高层建筑结构分析软件”
whh2200
whh2200 Lv.2
2004年09月26日 21:27:27
只看楼主

我写这篇文章的时候,PKPM还是DOS版的,所以不一定反应现在的结构软件的特性,过时了!嘻嘻! 如何选择高层建筑结构分析软件 有限元分析的数学方法, 使建筑结构的电算成为可能。在我国建筑行业,越来越多的工程采用了结构分析软件进行设计,提高了设计效率和水平,特别是在高层建筑中,已经成为必须的设计手段。 目前,国内比较成熟、应用比较广泛的结构分析软件,主要是:TBSA(中国建研院高层室)和PKPM(中国建研院PKPM CAD工程部)。其中TBSA常与PIEMCAD搭配使用,而PKPM从砖混、框架、剪立墙到基础,自成一套完整的体系,两者各有千秋。除此之外,最近几年国内又出现了:TUS/ADBW(清华大学)、BSSAD(浙江省建筑设计研究院)、ETS4(中国建研院计算中心); 国外还有:SUPPER SAP(美国AIS公司)、SAP 90(美国加州大学)、STAND Ⅲ(REI公司)等结构分析软件。

我写这篇文章的时候,PKPM还是DOS版的,所以不一定反应现在的结构软件的特性,过时了!嘻嘻!

如何选择高层建筑结构分析软件

有限元分析的数学方法, 使建筑结构的电算成为可能。在我国建筑行业,越来越多的工程采用了结构分析软件进行设计,提高了设计效率和水平,特别是在高层建筑中,已经成为必须的设计手段。
目前,国内比较成熟、应用比较广泛的结构分析软件,主要是:TBSA(中国建研院高层室)和PKPM(中国建研院PKPM CAD工程部)。其中TBSA常与PIEMCAD搭配使用,而PKPM从砖混、框架、剪立墙到基础,自成一套完整的体系,两者各有千秋。除此之外,最近几年国内又出现了:TUS/ADBW(清华大学)、BSSAD(浙江省建筑设计研究院)、ETS4(中国建研院计算中心); 国外还有:SUPPER SAP(美国AIS公司)、SAP 90(美国加州大学)、STAND Ⅲ(REI公司)等结构分析软件。
  
一、高层结构分析软件数学模型(仅对楼板、剪力墙而言)及其计算差别:
  现有高层建筑结构分析软件中,对剪力墙和楼板的模型化假定是关键,它直接决定了高层结构分析模型的科学性,同时也决定了分析软件的精度和可信度。近年来,国内外在高层建筑分析与设计中,对于剪力墙,应用较多的分析模型
主要有三种:
1、薄壁杆件模型
  这种模型以薄壁杆单元模拟工程中的剪力墙,其代表性的软件有:TAT(中国建研院PKPM CAD工程部),TBSA(中国建研院高层室)等。薄壁杆件分开口和闭口两类。TAT及TBSA均采用开口薄壁杆件模型。其基本假定为:(1) 在小变形条件下,杆件截面外形轮廓线在其自身平面内保持刚性,即不变形;在出平面方向(杆轴方向)可以翘曲。(2) 杆件平面上的剪应变为零,即认为相交于某点的母线与外轮廓线变形后仍保持相互垂直关系。这种模型的优点是自由度少,分析效率高,在普通微机上即可完成多、高层结构的分析和设计。但薄壁杆件模型也存在明显的缺陷:(1) 薄壁杆件两条基本假定的限制,由于第一条假定的限制,以薄壁杆件理论为基础研制的软件不能考虑楼板的弹性变形的影响,而只能采用楼板平面内无限刚假定;第二条假定忽略了剪切变形影响。对于复杂连接的剪力墙,高估了其刚度。(2) 用连梁单元模拟上下层剪力墙洞口间的部分,并用刚臂把连梁单元与薄壁杆件的形心或剪心连接起来,这样的结构模型与结构原形相差甚远,造成连梁单元内力严重失真。(3)当剪力墙连接复杂,洞口不对齐,有较大集中荷载等情况存在时,不满足薄壁杆件理论的基本假定及几何要求,用TAT、TBSA 分析时会有一定的误差。工程应用表明:对于高度较大,结构布置,特别是剪力墙布置比较规则的结构,薄壁杆模型是比较理想的,精度足以满足工程设计要求,但对高度较低或结构布置比较复杂的结构,薄壁杆件模型不理想。
2、板-梁墙元模型
这种模型以膜元或壳元,边柱和层间处刚性梁模拟层高范围内的一片剪力墙,其代表性软件有:ETABS(美国加州大学),TUS/ADBW(清华大学),BSSAD(浙江省建筑设计院 ) ,ETS4(中国建研院计算中心)等,这种模型把无洞口或有较小洞口的一片剪力墙化为一个单元,把有较大洞口的一片剪力墙化为一个由板单元和连系梁组成的板-梁体系。板-梁墙元的引进使剪力墙的几何描述和前处理得到简化,避免了剪力墙单元的划分,使得自由度数有所减少,分析效率也得到提高。这种模型的缺陷表现在:(1)板-梁墙元模型是按“柱线”把剪力墙划分成一个个板单元的,为变形协调,“柱线”从上至下应对齐,贯通,但当剪力墙洞口不对齐(不等宽),各层与剪力墙搭接的梁平面有变化时,将导致“柱线”又密又多,增加了许多板单元,使板单元又细又长,刚度奇异,使结果失真。(2)用梁单元模拟洞口部分的剪力墙, 削弱了剪力墙原型的变形协调关系,使分析结果偏差。
3、壳元墙元模型
即用空间壳元或在壳元基础上经静力凝聚而成的超单元--墙元模拟剪力墙,其代表性软件有:SUPER SAP(美国 AIS公司),SAP90(美国加州大学) STANDIII(REI公司)及SATWE(中国建研院PKPM CAD工程部)等,由于剪力墙既承受水平荷载作用,又承受竖向荷载作用,而它本身既有平面内刚度,又有平面外刚度,故从有限元目前的发展水平来看,用壳元模拟剪力墙是比较切合实际的,上述软件中除SATWE 外均为优秀的结构通用有限元分析软件,但由于它们前处理功能弱(数据交互图形输入功能差,剪力墙单元自动划分难度大),后处理功能也不够(难以考虑建筑结构专业特点),难以让广大结构设计人员接受。为克服上面壳元模型中剪力墙单元划分的困难,PKPM CAD工程部在研制高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE过程中,引进了SAP84的墙元概念,创建了通过墙元(壳元墙元)(注一)在四节点等参平面薄壳单元的基础上凝聚而成的,这不仅简化了剪力墙的几何描述,解决了剪力墙单元自动划分问题,而且通过子结构技术,减少了结构总自由度数,提高了分析效率,从而确保了SATWE
whh2200
2004年09月26日 21:27:44
2楼
二、软件分析结果的对比
  1、SATWE和SAP92的理论基础一致, 故分析结果比较接近。
  2、SATWE和TAT,TBSA的差异, 除对剪力墙和楼板模型化不同外,在风
荷载导算及错层构件质量的分配上也有差别。SATWE导算的风荷略大于TAT,
TBSA的风荷载。TAT,TBSA 分析的错层结构的周期比SATWE,SAP92的略
大。
  3 、 对于普通框架结构或带支撑的框架结构, TAT ,SATWE和SAP92三种
软件分析结果相近。
  4、对于框剪,剪力墙结构,SATWE与SAP92 的分析结果
基本一致,但TAT的分析结果有误差。
  5、对于板-柱体系,SATWE 软件能充分考虑楼板的弹性变形,自动进行楼
板单元划分,使分析结果更为合理。
  综上所述, 基于三种模型的高层结构分析软件在一定的范围内到分析合理,
效率最高。故工程设计人员应明确工程特点,灵活而有效地选择各种分析软件,
在省时高效的同时,使工程计算结果精度得到保证,设计更为合理。
  二、软件前、后处理模块的比较:
  前处理模块主要为计算主程序生成有关的数据文件,后处理模块者则根据计
算结果,生成相应的施工图。目前前处理模块比较成熟,主要问题在后处理模块
上,体现在:合理的选取配筋、方便的修改配筋、完善的表示方法…。总之,软
件编程人员与设计人员缺乏交流,后处理模块与实际设计的要求相差太远。
  1、PIEMCAD的优缺点:
  PIEMCAD后处理中采用了“平法表示”,提高了图纸效率。其前、后处理程序
采用C++编程的图形界面,有完善的图形操作和修改功能,人机界面友好,形象
直观,简单易学。但其钢筋归并的结果严重失真;缺少完善、方便的尺寸标注;
对于多塔楼、错层、斜柱等特殊结构,虽然TBSA V5.0已经能够近行有关的计
算,但目前版本的PIEMCAD尚不能进行处理;打印、绘图功能太弱;对成图的修
改缺乏灵活的手段…
  2、PKPM的优缺点:
  相对于PIEMCAD和TBSA,PKPM则显得更为成熟。PKPM采用汉字FORTAN编
程,用户界面、图形操作对于新手有一定的难度,但也不失于准确、灵活;有着
完善的尺寸标注功能,符合设计要求;功能模块齐全,从砖混、混凝土结构到基
础,以及各种特殊结构形式,几乎涵盖了建筑结构设计领域内的所有项目;对成
图的修改、添加,比较方便;钢筋的归并、选取比较合理,修改也很方便;施工
图表示方法多样,可以用平法出图。缺点在于:各个模块过于零乱,缺乏统一的
设计界面;PMCAD中“荷载标准层”有画蛇添足之感;缺乏完善的帮助和提示信
息;操作界面太土,不够美观…
  综上所述,单就前、后处理模块而言,PKPM要优于PIEMCAD和TBSA,PKPM
更接近实际设计的要求。
    注:
  (注一)SATWE 的墙元是在四节点等参平面薄壳单元的基础上凝聚而成,
该薄壳是平面应力膜和板的迭加,有六个自由度,三个为膜自由度(U,V,Q,
Z),另三个为板弯曲自由度(W,QX,QY)。
  (注二)SATWE是以三角形薄壳单元、 矩形薄壳单元和四节点等参平面薄
壳单元模拟普通的弹性楼板单元;对于转换层厚板单元,SATWE 以三角形厚板
单元和四节点等参厚板单元模拟
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xuyong_tl
2004年09月26日 21:43:20
3楼
这篇分析很实用,对各位仁兄一定有参考价值,PKPM现在又新增加了PMSAP有限
元模块,我最近对一个高层进行了比较,其计算结果影响较大的是柱与剪力墙,
PMSAP的柱内力要比SATE的内力小,PMSAP的剪力墙内力要比SATE的内力大
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herrz
2004年09月27日 10:37:42
4楼
当今在建筑结构的设计中,使用结构软件帮助分析工程结构已成为结构设计师进
行计算机辅助设计的必要手段。可结构工程师不能也不应该过分信任和依赖计算
机结构分析软件。美国一位学者曾警告说:“误用计算机造成结构破坏而引起灾
难只是一个时间的问题。”这绝不是危言耸听。
结构分析模型的正确简化和选取
事实上,各种结构分析软件由于其计算机模型的局限性,自身有许多基本假定,
使得实际结构与计算模型之间存在差异,因此电算结果与实际情况也不完全相
符。不同的软件有不同的适用范围,只有在其适用范围内,才能得到合理的计算
结果。因此,结构工程师必须了解各软件的特点和计算模型的差异,根据工程本
身的特点选择相应的计算软件。
而结构分析模型的正确简化和选取,在各种类型高层分析软件中,剪力墙和楼板
模型简化是关键,针对不同的结构形式应选择相应的简化模型。
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suibing
2004年09月27日 11:49:41
5楼
对计算软件的选用是要慎重的,但对电算结果的判断更要慎之又慎!
在计算机和计算机软件广泛应用的条件下,除了要根据具体工程情况,选择合
适、可靠的计算分析软件外,还应对计算软件产生的计算结果从力学概念和工程
经验等方面加以分析判断,确认其合理性和可靠性,方可用于工程设计。工程经
验上的判断一般包括:结构整体位移、结构楼层剪力、振型形态和位移形态、结
构自振周期、超筋超限情况等。
最终责任的承担者,不是计算机而是我们自己!
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changchunyy
2009年01月12日 16:27:05
6楼
感谢楼主提供这么好的资料
愿楼主给我们带来更有学习价值的好东西
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